2023

Universidad de Buenos Aires

Facultad de Ingeniería

Transformación de la Energía

Ingeniería Industrial
Apunte de Cátedra de

Turbinas de Vapor

Autor: Nicolás Cosso

FIUBA Transformación de la Energía

Turbinas de vapor:

Las turbinas de vapor tienen por finalidad transformar la energía potencial de tipo
térmico, en energía mecánica.
La energía potencial térmica disponible es la diferencia de entalpías entre el estado
inicial del vapor, a la entrada de la turbina, y su estado final, a la salida de la misma.
Esta diferencia de entalpías se conoce como salto entálpico o salto térmico.
Las turbinas de vapor tienen gran aplicación en la generación de energía eléctrica.
Acoplándose un generador, se consigue generar energía eléctrica.
La cantidad de energía generada en bornes, será proporcional al salto entálpico
(trabajo o energía) producido en la turbina y al caudal de vapor (potencia) que circule
por ella.

N = Q X Δh

Siendo:

N: Potencia de la turbina en KJ/seg o KW.

Q: Caudal de vapor que circula por la turbina en kg/seg.
Δh = h1 – h2: Diferencia de entalpía del vapor entre la entrada y la salida de la turbina
en KJ/kg.

Fig 1

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En las turbinas de vapor existen unos elementos fijos que son las toberas y los
distribuidores de álabes, como pueden observarse en la figura 2.

Fig 2

Cuando el salto entálpico se transforma totalmente en energía cinética, la turbina es de

acción. En este caso, la entalpía a la salida de la tobera será igual a la entalpía final
del vapor (para un proceso isoentrópico con S = 0). Por lo que se deduce que en los
álabes móviles se dará la transformación total de energía cinética a energía mecánica.

En las turbinas de reacción, en cambio, la transformación de energía cinética en

energía mecánica se da parte en el rotor y parte en el estator. Esto es debido a los
álabes fijos montados sobre la carcasa interior que redireccionan el caudal de vapor.
Las turbinas de reacción carecen de tobera.

A su vez, se puede decir también que todo cambio en la dirección o en la magnitud de

la velocidad del fluido, originará un empuje sobre los álabes, de forma que, para
cuando éstos vayan montados sobre una corona móvil, la potencia producida será
igual al producto de la velocidad tangencial de los álabes por la componente periférica
de la fuerza.

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En base a lo dicho anteriormente a las turbinas de vapor se las puede clasificar en dos
grandes grupos:

• Turbinas de acción

• Turbinas de reacción

Turbinas de Acción: Toda la energía potencial (de presión) del vapor se transforma en
energía cinética (de velocidad) en el estator.

Turbinas de reacción: Toda la energía potencial (de presión) del vapor se transforma
en energía cinética (de velocidad) parte en el estator y parte en el rotor (esto
dependerá fundamentalmente del grado de reacción de la turbina de vapor).

Sistema de
regulación
Álabes móviles
(rotor)

Descarga al
condensador

Estator Sellos
laberínticos Eje

Fig 3. Partes constitutivas de una turbina de vapor

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Las turbinas de acción constan de:

- Un distribuidor fijo, compuesto por una o varias toberas, cuya misión es transformar
la energía térmica del vapor puesta a su disposición, total (acción), o parcialmente
(reacción), en energía cinética.
- Una corona móvil, fija sobre un eje, cuyos álabes situados en la periferia tienen por
objeto transformar en energía mecánica de rotación, la energía cinética puesta a su
disposición.

En la tobera se realiza la expansión total del vapor, desde la presión p 0 hasta la

p1transformándose la energía térmica, totalmente, en energía cinética, en la forma:

Salto adiabático teórico: i0 - iA = ½ g( c1t² - c0² ) = iad

Salto real en la tobera: i0 - i1 = ½g( c1² - c0²)

Fig 4. Representación en el diagrama (i-s) de un escalón de una turbina de acción

Tobera: La circulación del vapor por la tobera es un proceso no isentrópico. La pérdida

de energía en la tobera constade dos factores principales:

- Las pérdidas debidas al rozamiento del chorro de vapor sobre las paredes.
- Las pérdidas inherentes a la formación de torbellinos en el seno del fluido, así como
las fugas de vapor por el intersticio entre toberas y corona, y el choque con el borde de
entrada de los álabes.

Todas estas pérdidas se resumen en un valor ö< 1, que se conoce como coeficiente
de reducción de velocidad, siendo su valor del orden de 0,95. Debido a estas pérdidas,
la energía mecánica de rozamiento se transforma en calor, siendo absorbida una
fracción por el vapor, que incrementa así su entropía y su entalpía a la salida de la
tobera.

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Fig 5

Triángulos de velocidades

Entrada: En la figura siguiente se han representado los cambios de velocidad que

experimenta el vapor en la corona móvil. El vapor sale de la tobera y penetra entre los
álabes de la corona móvil con una velocidad c1; la velocidad tangencial o periférica es
u1, y por lo tanto, la velocidad relativa del vapor a la entrada es w1, que es la que
observaría un espectador que se moviese arrastrado por los álabes.

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Fig 6. Triángulos de velocidades a la entrada y salida del rodete

Al conjunto de velocidades y u1, c1 y w1, junto con los ángulos á1 y â1se le conoce
como triángulo de velocidades a la entrada.

Salida: Al pasar el vapor entre los álabes de la corona, la velocidad relativa disminuye
por rozamiento, por lo que a la salida se tienen otras velocidades u1, c2 y w2, que
forman entre sí los siguientes ángulos:

Grado de reacción

El grado de reacción nos permite clasificar una turbina para saber qué porcentaje tiene
de acción y qué porcentaje tiene de reacción.

Se puede decir que es la relación existente entre el salto entálpico de la parte móvil
respecto al salto total.

Fig 7. Representación de los saltos entálpicos en una turbina de vapor

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Analizándolo desde el punto de vista de las velocidades:

Como aclaración importante se podría decir que no existen las turbinas de acción pura
o de reacción pura, sino que son turbinas que tienen un porcentaje de cada una siendo
muy habitual construir las turbinas con un grado de reacción de 50% para que resulten
más económicas dado que se utilizan las mismas piezas tanto en la parte fija como en
la parte móvil para las transformaciones de energía como se verá más adelante.

Intercambio de energía en las máquinas rotativas (Ecuación de Euler)

En las distintas vistas de un rotor, que se observan en la figura,se pueden apreciar las
componentes de la velocidad absoluta tanto de entrada como de salida:

• axial

• radial

• tangencial

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Figura 8. Representación de las velocidades de entrada y salida al rodete

Siendo:

Cea: Componente axial de la velocidad de entrada

Cer: Componente radial de la velocidad de entrada

Cet: Componente tangencial de la velocidad de entrada

Csa: Componente axial de la velocidad de salida

Csr: Componente radial de la velocidad de salida

Cst: Componente tangencial de la velocidad de salida

De dichas componentes la que produce el movimiento del rotor es la componente

tangencial

El mismo concepto aplicado a un álabe:

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Fig 9. Triángulo de velocidades de entrada y salida al álabe

Suponemos:

• El régimen de rotación es constante

• No existe rozamiento entre fluido y paleta

• No se produce transferencia de calor

• El movimiento del fluido es estable a la entrada y la salida

Por Newton:

La ecuación anterior es la transferencia de una partícula de vapor al rotor

Esta partícula genera un impulso al rotor generando una cantidad de movimiento dada
por:

F x dt = m x dc

Siendo

F: Fuerza

t: tiempo

m: unidad de masa

c: velocidad

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Para un caudal de partículas:

Siendo:

G: Gasto másico (Kg/h)

S: Sección (m2)

C: Velocidad del fluido (m/seg)

V: Volumen especifico (m3/kg)

Dado que momento es:

M=Fxr

Tendremos un momento de entrada y un momento de salida:

Siendo:

r: Radio del rotor

Entonces el momento entregado al rotor será:

M = Me - Ms

Y la energía cedida por el fluido por unidad de tiempo es:

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Siendo:

ω = Velocidad angular = 2 π n/60

Esta es la Ecuación de Euler que se aplica para la transferencia de energía de un

fluido en movimiento.

Gasto en una tobera

Definimos el gasto en una tobera como:

Siendo:

S: Sección (m2)

C: Velocidad del fluido (m/s)

V: Volumen especifico (mᵌ/kg)

El Gasto máximo para una tobera se establece manteniendo constante la presión de

entrada (pe) y variando la presión de salida (ps) desde el valor de entrada hasta un
valor nulo (p=0)

El gasto irá aumentando hasta un punto que se mantiene constante por más que baje
la presión de descarga o salida

En ese punto se establece la relación crítica de presión (pc) que depende del fluido
circulante y es donde éste alcanza la velocidad del sonido para ese fluido y esas
condiciones:

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p = ps/pe

pc = pc/pe

En el gráfico siguiente observamos el gasto producido en la garganta de una tobera en

función a la relación de presiones producida en la misma.

Fig 10. Gasto en la tobera en función de la relación de presiones

Ahora bien, podemos definir al número de Match con la siguiente expresión:

En base al grafico anterior podemos clasificar a las toberas según el Número Mach:

M<1: Tobera Convergente

M=1: Tobera Convergente completa

M>1: Tobera Convergente – Divergente

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Determinación de la sección crítica de una Tobera

Para el vapor sobrecalentado:

pc = 0,5457

Y la presión crítica en la garganta es:

Con la presión crítica (Pc) se puede obtener la velocidad crítica (Cc)

Y con Cc calculamos la sección crítica:

Suponiendo que es una tobera de sección circular calculamos el diámetro:

Velocidad de embalamiento

Cuando la turbina adquiere la velocidad de embalamiento posee un rendimiento nulo,

por lo que c os á 1= î1, y no proporciona potencia. La velocidad de embalamiento de la
turbina, que es la que ésta adquiriría si el par resistente fuese nulo es: u = c1 cosá1, y
corresponde a una corona con álabes rigurosamente rectos y axiales, pasando el
vapor a través de ellos sin ejercer empuje periférico alguno. Para una turbina ya
construida que funcione a velocidades muy superiores a las de proyecto, se tiene que
cumplir c1u = c2u y los valores de las componentes meridianas de las velocidades
coincidirán, siendo los triángulos de velocidades para el embalamiento, de la forma
indicada en la figura 11.

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Fig11. Triángulos de velocidades para el embalamiento

Turbina Curtis

La turbina Curtis es una turbina de acción con escalonamientos de velocidad, y cuando

por primera vez fue construida, presentaba como características principales una
disposición vertical y un número reducido de escalonamientos de presión, inferior a
cinco, cada uno de los cuales estaba subdivididoen dos o tres escalonamientos de
velocidad, constituyendo así una turbina mixta. La disposición verticalocupaba un
espacio mínimo, presentando algunas ventajas desde el punto de vista de desgaste de
cojinetes, equilibrado, etc, pero la disposición actual es horizontal, y los
escalonamientos de velocidad se limitan a la primera rueda de alta presión, ya que en
las turbinas de vapor de acción de pequeña y media potencia, como el salto entálpico
asignado al primer escalonamiento de acción resulta excesivo, se sustituye por un
doble escalonamiento Curtis que permite la admisión parcial de vapor; a esta corona
Curtis se la conoce como corona de regulación, ya que en ella se verifica la regulación
cuantitativa del flujo de vapor de la turbina.

En la siguiente figura vemos los distintos componentes de una turbina Curtis. Podemos
distinguir:

_ La tobera (descripta anteriormente).

_ Las coronas, partes móviles o álabes móviles.
_ El distribuidor, parte fija o álabe fijo.

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Fig 12. Diagrama de turbina Curtis

En la siguiente figura se muestra la transformación de energía en la turbina Curtis. Se

observa la caída de presión en la tobera y su consecuente aumento de velocidad
(reducción de la energía potencial y aumento de la energía cinética).
En las etapas móviles y fijas, la presión se mantiene constante. La velocidad, en
cambio, cae en las etapas móviles y se mantiene constante en las etapas fijas.

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Fig 13. Transformación energética en una turbina Curtis.

Podemos observar en la figura 14, el triángulo de velocidades de una turbina Curtis de

dos escalonamientos de velocidad.

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Fig14. Triángulo de velocidades de una turbina Curtis de dos escalonamientos de

velocidad

En la siguiente imagen, observamos el diagrama polar de una turbina Curtis de dos

escalonamientos de velocidades.

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Fig 15. Diagrama polar de una turbina Curtis de dos escalonamientos

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Fig 16. Turbina de condensación de dos cuerpos y dos flujos de BP

Fig17. Turbina de condensación de tres cuerpos, AP, MP y BP

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Fig18. Turbina de condensación de tres cuerpos, AP, MP y BP. Dos flujos de BP

Turbina de contrapresión

Cuando las características del vapor sean inferiores a 17,5 atm y 290ºC, estas turbinas
se construyen de fundición y para características superiores se construyen de acero,
Fig19. Las disposiciones constructivas aplicadas a las máquinas pequeñas son
sencillas, pues llevan cojinetes de anillos, topes de cojinetes de bolas, estanqueidad
por anillos de carbono, regulador de acción directa, orificios de admisión y de escape
en el cuerpo inferior, etc.

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Fig19. Sección de una turbina de contrapresión

Para turbinas de potencia entre 1 MW y 3 MW se utiliza una rueda Curtis

Sistema de drenaje de humedad de las turbinas de vapor

Las turbinas de vapor cuentan con un sistema de drenaje que les permite purgar los
condensados que se generan al enfriarse el vapor remanente que se alojara entre las
cámaras o las carcasas; como así también aquel condensado generado en las salidas
de servicio de las turbinas debido al enfriamiento de los materiales.
Es de importancia fundamental purgar los condensados (fríos) antes de que ingrese
vapor (caliente) a la turbina ya que estos ΔT provocarán estrés térmico en las partes
constitutivas de la turbina.

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Fig 20. Sistema de drenaje de humedad en los escalonamientos de AP.

Fig 21. Dispositivo y cámara de drenaje de condensados en los escalonamientos de

AP.

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Incidencia del título de vapor en las turbinas de vapor que funcionan con vapor
sobrecalentado (Centrales térmicas convencionales y ciclos combinados):

El daño suele presentarse en las turbinas (etapas) de baja presión, ya que es en esta
etapa en la que el vapor posee la menor entalpía del ciclo, por lo que en las últimas
etapas, el mismo se halla levemente saturado. Tal es así que podemos encontrarnos
con un porcentaje de fase líquida del 15%.
El daño producido por la humedad contenida en el vapor, es severamente dañino en
los bordes de ataque de los álabes así como en los bordes de salida y suelen
manifestarse con mayor sensibilidad en la última etapa de la turbina de baja presión,
donde las condiciones para condensación son más favorables ya que las temperaturas
rondan los 50ºC y las presiones pueden estar en el orden de los 0,085 kg/cm²
absolutos.

En la siguiente imagen podemos observar el daño por erosión producido en una

turbina de vapor Siemens de tres presiones de 236 MW. La fotografía fue tomada
durante una parada de máquina para mantenimiento general y puntualmente se
inspeccionaron las últimas etapas de la turbina de baja presión. Según especialistas
de la firma constructora este daño puede considerarse normal debido a que no se
observaron erosiones de magnitud considerable. En elipse roja se denota la zona de
mayor desgaste perteneciente al perfil del borde de ataque de los álabes receptores.

Imagen 1. Incidencia del título de vapor en última etapa del cuerpo de baja presión

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Una de las formas de proteger a las turbinas de este efecto nocivo es controlando la
calidad del vapor (presión y temperatura) en la entrada de la etapa de baja presión
durante el arranque y luego monitorear la temperatura del mismo durante el régimen
normal.

A continuación mostramos la lógica de control de calidad de vapor de baja presión

durante la fase de arranque de una turbina de vapor sobrecalentado Siemens de tres
presiones de 236MW.

Podemos observar que al sistema de control ingresa la presión del vapor y calcula la
temperatura de saturación del mismo. Luego compara este valor con la temperatura
real del vapor y exige que el mismo esté 20ºC por encima del valor calculado de
saturación. De esta manera el sistema asegura que el vapor que ingresará a la turbina
no será húmedo. Una vez que satisface esta condición el programa de arranque puede
continuar.
De no cumplirse lo anterior, el programa quedará frenado en ese paso de arranque
aguardando condiciones de entalpía aptas para ser introducido en la turbina. El paso
siguiente, será la apertura paulatina de las válvulas de admisión.

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Imagen 2. Lógica de control de temperatura de vapor de baja presión.

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Incidencia del título del vapor en las turbinas que funcionan con vapor húmedo
(Centrales nucleares):

Los elementos de turbinas que trabajan con vapor húmedo, sufren la acción constante
de las gotas o chorros de líquido, a consecuencia de lo cual es posible el desgaste
(erosión) en las superficies de los álabes, de los discos, diafragmas, collares, cuerpos,
de las empaquetaduras de laberinto, válvulas y otras piezas.

Uno de los daños de mayor frecuencia ocurre en los bordes de ataque en los álabes
receptores. En éstos se produce la erosión de choque bajo la acción mecánica de las
gotas, la erosión de cavitación, la erosión provocada por la acción química y
electroquímica del medio. En las condiciones reales de trabajo a las que son
sometidas la mayoría de los elementos de las turbinas atacados por la erosión, todos
los tipos de erosión mencionados antes actúan simultáneamente y están mutuamente
ligados.
Según experiencia de varios autores a los que luego citaremos en la bibliografía
consultada, se demuestra que el desgaste por erosión más significativo lo sufren las
zonas periféricas de los bordes de ataque en los álabes receptores, y como es de
esperarse, principalmente en los últimos escalones de los cuerpos de baja presión al
igual que en las turbinas de vapor sobrecalentado, como fue mencionado en el
parágrafo anterior. En esta zona son altos los grados de humedad del vapor y
máximas las velocidades circunferenciales.
En la figura 22 puede observarse el triángulo de velocidades del vapor y la velocidad
de las gotas de humedad. A su vez, en contorno rayado se indica la zona de erosión
máxima (borde de ataque de los álabes receptores).

Fig 22. Triángulo de velocidades del vapor y las gotas de humedad

Las superficies dañadas por erosión al principio se vuelven ásperas, luego aparecen
picaduras, después cavidades más grandes y luego de persistir el daño, los álabes
pierden una parte considerable de masa.

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Zona de máxima
erosión. Perfil de
ataque de los álabes
de la última etapa de
baja presión.

Imagen 3. Daño por erosión en turbina de vapor condensado de Central Nuclear

Los deterioros por erosión empeoran bruscamente las características aerodinámicas

de la sección de paso de las turbinas, lo que naturalmente se refleja en su rendimiento
económico.
La rotura del álabe puede darse cuando la corrosión por erosión abarca la mayor parte
de la cuerda. Entiéndase por cuerda a la línea recta que une los bordes del álabe
trazada por la cara de ataque.

En la figura 23 podemos observar la relación existente entre la profundidad de la

corrosión erosiva de los bordes de ataque de los álabes en función del tiempo.

1_ Última etapa de la turbina

2_ Penúltima etapa.
3_ Antepenúltima etapa.

Fig 23. Profundidad erosiva en función del tiempo

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En la figura 24 puede observarse como repercute la

circulación de vapor húmedo en las partes fijas del
cuerpo de alta presión de una turbina de vapor
húmedo.
En este caso, no se aplica el desgaste directo por la
acción de las gotas, sino que por el proceso
compuesto de erosión y corrosión.
Las investigaciones han demostrado la dependencia
entre el deterioro por corrosión y una serie de
parámetros, en el que se destaca la temperatura. El
desgaste por corrosión crece con el aumento de la
temperatura; aunque hay que destacar que
simultáneamente con el proceso de corrosión tiene
lugar la “pasivación natural” que debido a la oxidación
superficial del metal, se forma una película fina de
gran resistencia mecánica que pone fin al deterioro
ulterior de la superficie.
Según experiencias, se observa que esta pasivación
se desarrolla con intensidad a las temperaturas Fig 24. Corrosión vs pasivación
superiores a 230 – 250ºC, cuando se forma la película natural
dura de magnetita.

Formas de prevenir los daños descriptos:

1) Disminuir la humedad delante de las últimas etapas reduciendo la presión y

aumentando la temperatura del vapor al ingreso del cuerpo de baja presión.

2) Disminución de la humedad mediante un sistema de evacuación periférica de la

humedad. Sistema de extracción desde los cuerpos de turbina con válvulas de purga.

3) Emplear materiales resistentes contra la erosión para fabricar los álabes receptores,
por ejemplo aleaciones niquel – cromo – titanio.

4) Tratamiento especial en aquellas partes de la superficie de los álabes donde puede

esperarse la acción erosiva de la humedad. Por ejemplo, incorporar carburos de
tungsteno, de titanio y de cobalto. También podría realizarse el temple superficial con
corrientes de alta frecuencia.

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Equilibrado del rotor

La presencia de algún tipo de desequilibrio lleva consigo vibraciones del rotor. Las
fuerzas centrífugas producidas generan reacciones en los cojinetes, fuerzas giratorias
que además de perturbar el funcionamiento de los cojinetes pueden producir
vibraciones en el estator. Estas reacciones pueden llegar a ser muy importantes, ya
que por ejemplo, para un rotor de una tonelada que gira a 3000 rpm, una excentricidad
de 0,1 mm se correspondería con un esfuerzo centrífugo igual al peso del rotor.

Equilibrado estático: El equilibrado estático permite situar el centro de gravedad del

rotor sobre su eje. Sin embargo, esto no es suficiente, ya que además es necesario
que el eje de rotación coincida con uno de los ejes principales de inercia del rotor,
siendo éste el objeto del equilibrado dinámico.
Los rotores llevan a menudo una ranura circular en cola de milano sobre las caras
extremas en las que se pueden situar masas adicionales en una posición conveniente.

Equilibrado dinámico: Para un rotor flexible, sólo es válido para la velocidad a que se
ha efectuado, ya que la compensación de los desequilibrios residuales no se verifica
generalmente en su propio plano, y las fuerzas centrífugas que tienen resultante nula y
momento resultante nulo, pero que existen, producen una deformación del eje que
modifica en función de la velocidad, la excentricidad de los distintos desequilibrios.

Vibraciones de las cimentaciones: Los grupos están instalados sobre soportes

macizos de cimentaciones metálicas o de hormigón. Las fuerzas de giro a que están
sometidos los cojinetes de las máquinas, que provienen de un desequilibrado eventual
o de un residuo de desequilibrado, se transmiten a dichas cimentaciones y
desempeñan el papel de fuerzas de excitación a la frecuencia de 50 ciclos a 3000 rpm,
pudiéndose producir resonancias con las frecuencias propias del conjunto fundación –
estator.
La frecuencia más baja corresponde, generalmente, a una flexión transversal, pero se
pueden producir otras más complicadas. Para reducir la flexibilidad de los cojinetes se
limita la altura del eje de los grupos al mínimo.
La flexibilidad de los soportesmodifica las velocidades críticas de los rotores. La
simplificación que considera separadamente el móvil y el conjunto fundación-estator
conduce a resultados aproximados. Un estudio más riguroso se haría de forma
experimental.

Actualmente se busca fabricar rotores forjados en una sola pieza, evitando así los
discos añadidos. Este tipo de configuración, tiende a evitar los ensambles mecánicos y
posibilita temperaturas de trabajo más altas.

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Fig 25. Rotor forjado con el eje constituyendo una pieza

Imagen 4. Rotor de baja presión de turbina de tres presiones

A modo de ejemplo, en la siguiente figura podemos observar el rango de velocidades

de una turbina de vapor Siemens KN de tres presiones que se encuentra instalada en
la Central Termoeléctrica Genelba.
El rango de velocidades críticas queda establecido entre 14 Hz y 47,5 Hz. La
aceleración dentro de este rango es elevada, evitando de esta manera la estadía en
velocidades no recomendables.
Por este motivo, la velocidad de calentamiento es de 13,3 Hz; fuera del rango de
velocidades críticas.

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Fig 26. Rango de velocidades críticas en una turbina de vapor Siemens KN.

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Las velocidades críticas son aquellas que se producen por las frecuencias de vibración
de las partes en movimiento. Las mismas pueden afectar tanto al rotor como a las
fundaciones sobre la cual la turbina se encuentra emplazada. Es por ello que es de
fundamental importancia no permanecer dentro de estos rangos más tiempo que el
establecido por diseño.

Materiales utilizados en la construcción de discos y rotores

Para los ejes y discos sometidos a tensiones y temperaturas moderadas del orden de
300ºC basta con aceros al 0,3% C, 70 kg/cm².
Los discos fuertemente solicitados, necesitan aceros de alta resistencia con adición
de: Cr-Ni-Mo-V 1,6/1,8/0,2/0,15%, y 100 kg/cm².
Para temperaturas elevadas, mayores de 450ºC, los ejes de los rotores y los discos de
AP se fabrican con aceros que contienen generalmente Cr-Mo-Mn-V, 1,5/0,4/1/0,6%,
con resistencias bajo cargas prolongadasa 500ºC de 10 kg/cm².

Sellos

El sistema de sellos tiene por finalidad evitar escapes de vapor que intenten fugarse
por los intersticios entre el rotor y la carcasa interior. Los sellos suelen presentar un
esquema laberíntico que le imponga al vapor de fuga una pérdida de carga tal que no
logre escapar.
Dependiendo del fabricante y de las prestaciones de la turbina, se tienen diferentes
tipos de configuraciones laberínticas. Las figuras siguientes son ejemplos de las
mismas.

Fig 27. Sellos laberínticos y de anillo de las turbinas de vapor.

Para reforzar el efecto de sellado, se inyecta en los sellos una corriente de vapor en
contraflujo del vapor de escape. De esta manera aumenta la capacidad de
estanqueidad de la turbina.

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Fig 28. Sellos rectos Fig 29. Sello tipo cinta o fleje

Sistema de lubricación

Este sistema es de importancia fundamental para el correcto funcionamiento de

cualquier máquina rotante y especialmente para una turbina de vapor, debido a las
características que presentan sus cojinetes.
El sistema de lubricación además de lubricar los puntos de apoyo del rotor, cumple la
función de ser el medio refrigerante para disipar la gran cantidad de calor producido en
estas zonas. Cabe recordar que en los cojinetes de deslizamiento (o de fricción) se
encuentran dos tipos de materiales, a saber, material blanco del cojinete y material gris
del eje; que de no ser lubricados correrían el riesgo de someterse a contacto y
destruirse.
Con intenciones de proteger los cojinetes de la turbina, el fabricante adopta un sistema
de lubri – refrigeración. El mismo está compuesto de un tanque de almacenamiento de
aceite, bombas de aceite de lubricación, bombas de aceite de levante, sistema de
filtrado, intercambiadores para refrigeración del aceite, válvulas, tuberías, placas y
dispositivos de control y protección.
Como ya mencionamos, el sistema de lubricación es considerado esencial para el
funcionamiento de la turbina, por esta razón se dispone de dos o tres bombas de
lubricación redundantes entre sí. Por lo general la configuración que se adopta es de
dos bombas principales de corriente alterna (idénticas) más una bomba de emergencia
de corriente continua. Para la operación normal de la turbina basta con tener en

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servicio una de las bombas principales. La bomba de emergencia tendrá la finalidad de

respaldar a las bombas de lubricación principal en el caso excepcional de que ambas
bombas principales fallen o no posean energía.
La bomba de lubricación de emergencia es de corriente continua y se alimenta de un
banco de baterías que le proporcionan la suficiente energía como para estar en
servicio durante algunas horas.
En la siguiente figura observamos una vista del sistema de lubricación de una turbina
de vapor.

En la siguiente figura podemos ver como se forma la película lubricante en un cojinete

de fricción de una turbina de vapor Siemens.

Fig 30. Película lubricante en un cojinete de fricción.

La figura 31 muestra el ingreso de aceite al cojinete compuesto (axial – radial) de una

turbina de vapor de 235 MW.

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Fig 31. Circuito de aceite de lubricación y levante en cojinete compuesto.

En la figura 32 se puede observar un refrigerante de aceite de casco y tubo

típicamente utilizado en el sistema de lubricación de las turbinas de vapor para
generación eléctrica comercial. Este tipo de intercambiadores utilizan agua cruda o
levemente desmineralizada (pretratada) dependiendo la calidad del agua con que
cuente la Central. El agua que sale del intercambiador con mayor temperatura, se
vierte al río o mar, o se retorna a la torre de enfriamiento para su refrigeración.

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Fig 32. Refrigerante de aceite

Protecciones y enclavamientos en las turbinas de vapor de las centrales

térmicas

En las centrales térmicas, las turbinas de vapor cumplen una función primordial en el
proceso de generación de energía eléctrica. Es por esto que debe privilegiarse su
integridad en todo momento. Para este fin, los fabricantes de turbinas de vapor
diseñan un sistema de protecciones y enclavamientos que tienen por finalidad proteger
a la turbina de eventuales fallas tanto en la operación normal, como así también en la
puesta en marcha o salida de servicio.

Los sistemas de control se diseñan con el objetivo de proteger las instalaciones en su

conjunto. En el caso específico de las turbinas de vapor, la rigurosidad con la que
deben ser diseñadas las protecciones, nos llevan a estudiar el tema con detenimiento.
Entre las protecciones principales se encuentran:

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Protección por sobre-temperatura de vapor: La misma impide que caudales de

vapor ingresen a la turbina en condiciones entálpicas que excedan los límites máximos
permitidos para los materiales que componen los distintos elementos de la máquina.

Protección por sobre-temperatura de los cojinetes: Dicha protección tiene por

finalidad impedir daños en los puntos de apoyo del conjunto rotor que puedan
generarse por excesos de temperatura (fricción) en el cojinete. Recordemos que los
cojinetes de las turbinas de vapor son del tipo de fricción o deslizantes, por lo que
suelen construirse de metal blanco. En caso de que la temperatura del aceite aumente,
no será posible evacuar el calor que se produzca en ellos, por lo que se dañarían.

Protección por baja presión de aceite de lubricación: En este caso, lo que se

intenta impedir es elrozamiento entre el metaldel rotor y el del cojinete producto de la
escasa película lubricante en los mismos.
La caída de presión puede ser producto de fallas originadas en el propio sistema de
lubricación; como por ejemplo, daños en la bomba de lubricación, taponamiento de
filtros, rotura de cañerías, etc.

Protección por cierre de válvula de vapor: En este caso, se impide que ante el
eventual cierre de una válvula de control o una válvula de cierre rápido, la turbina siga
operando con flujos de vapor no homogéneos.

Protección por vibraciones excesivas: Aquí se intenta proteger a la turbina de los

daños que puedan ocasionar las altas vibraciones producidas en el conjunto turbina-
generador. Para esta protección se cuenta con instrumental de campo destinado a tal
fin, que envía las mediciones al sistema de control de protección.

Protección por desplazamiento axial del eje: Este tipo de fallas puede presentarse
cuando ocurre un desbalanceo axial del rotor. Si bien las turbinas son diseñadas para
que se encuentren balanceadas axialmente por el propio empuje de las distintas
etapas, es decir, por la propia expansión del vapor; puede ocurrir en determinadas
circunstancias que al cerrarse la válvula de vapor de una determinada presión, la que
aún esté trabajando, produzca un empuje tal que exceda los límites de diseño. Es por
ello que el fabricante, diseña la protección de manera tal de no permitir llegar nunca a
estos umbrales.
La importancia fundamental de esta protección radica en no permitir que por excesivos
desplazamientos axiales del rotor, se produzcan roces entre las partes móviles (álabes
del rotor) y las partes fijas (álabes de carcasa). Cabe destacar que los huelgos o luces
entre ambos componentes son de muy baja tolerancia. Al punto tal de que no se
permiten desplazamientos superiores a 1 mm.

Protección por ventilación: Esta falla se presenta cuando no existe circulación de

vapor constante por la turbina (caso similar al de tener la válvula de descarga de una
bomba centrífuga, cerrada). En esta situación se estaría generando un calentamiento
del vapor encerrado en la turbina, con el consecuente aumento de temperatura del
mismo (energía cinética de la turbina entregada al vapor).

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Protecciones inherentes al sistema de condensación: Como ya se mencionó, el

sistema de condensado es imprescindible para el funcionamiento de una turbina de
vapor. En caso de que se produzca un inconveniente en el mismo, será necesario
corregirlo, en caso contrario el sistema de control enviará una acción de protección a la
turbina.

Protección por falla de instrumental de medición: Los sistemas de control cuentan

con instrumental de campo que recoge las señales y las envía a los procesadores. Por
seguridad, suelen existir redundancias de instrumental de campo que impedirían que
ante la falla de alguno de ellos perdamos las mediciones. Pero en el supuesto caso de
que se produzca una falla que de por resultado la pérdida de medición de ambos
instrumentos, actuaría una protección que sacaría de servicio a la turbina por
cuestiones de seguridad. En este caso, se suele proteger a la máquina de no quedar
sin instrumentos de campo que me permitan recoger la información de los parámetros
en tiempo real.

Las protecciones que sacan de servicio a la turbina de vapor, actúan directamente

cerrando las válvulas de control y de cierre rápido de la turbina; impidiendo el paso de
vapor.

Los enclavamientos cumplen una función primordial en la puesta en marcha y salida

de servicio de una turbina de vapor.
El fabricante diseña un sistema de enclavamientos que tiene por objetivo impedir
determinadas acciones que puedan poner en riesgo la integridad de los distintos
componentes. Para que lo dicho quede claro, como ejemplo podemos decir que el
programa de arranque no permitirá la apertura de las válvulas de vapor de la turbina
sin que antes se encuentre en servicio el sistema de enfriamiento del condensador.
Tampoco estarán dadas las condiciones de puesta en servicio de turbina si las
calderas no se encuentran operativas.
Si bien estos ejemplos parecen obvios, en una instalación tenemos una gran variedad
de componentes de importancia fundamental para el normal funcionamiento de la
turbina, por lo que si no contamos con una adecuada cadena de enclavamientos,
pondríamos en riesgo a todos los componentes.
Aprovechando que ya tenemos nociones de la importancia que juega el sistema de
sello de la turbina de vapor, observamos que deberíamos tenerlo operativo (es decir,
vapor auxiliar en contra flujo al sello) antes de que ingrese vapor a la turbina.

Otro punto de suma importancia es la lubricación. De ninguna manera podríamos

intentar un arranque de la turbina sin antes contar con el sistema de lubricación
operando normalmente (bomba de lubricación en servicio, filtros de aceite limpios,
enfriadores de aceite en condiciones de ser utilizados, etc).

Este tipo de detalles no pueden obviarse a la hora de un arranque de turbina y mucho

menos al momento de diseñar un sistema de protecciones y enclavamientos. Si algún
punto es omitido, los daños pueden ser graves.

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Protección por sobre velocidad: Es de suma importancia el control de la velocidad

de rotación de la turbina de vapor. Es por ello que existen seis instrumentos
(transmisores) de medición los cuales se separan en dos grupos de tres transmisores
cada uno. Cada grupo o canal funciona de manera independiente al otro con un criterio
de 2 de 3. Esto quiere decir que si dos transmisores del mismo grupo detectan un
exceso de velocidad mayor al límite permitido, se producirá el disparo de la turbina. Lo
mismo ocurriría si dos instrumentos se pusieran en falla o también si un instrumento
estuviera midiendo valores de velocidad excesivos y otro se encontrara en falla.
No se dispararía si ocurriera la falla de un instrumento de cada canal.
La siguiente figura muestra la disposición de los sensores en el rotor de la turbina.
Los transmisores son de tipo por Efecto Hall y se montan sobre la cubierta del cojinete
a escasa distancia de una rueda dentada dispuesta para la medición.

Fig 33. Medición de velocidad de una turbina de vapor

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Esfuerzos mecánicos producidos en las turbinas de vapor

Cuando las turbinas de vapor arrancan o salen de servicio; es decir; en los transitorios,
se generan esfuerzos de gran magnitud. Principalmente se distinguen esfuerzos de
tracción en el arranque de la turbina debido a la dilatación que sufren los materiales al
calentarse y esfuerzos de compresióndurante la salida de servicio debido a la
contracción que se genera en los materiales al enfriarse.
Los mismos deben ser debidamente contemplados y analizados por los fabricantes,
como así también por quienes operen las turbinas. De no ser así estos esfuerzos
podrían alcanzar valores inadmisibles que haríanpeligrar la integridad de las partes
fijas y móviles de la máquina.

El problema principal radica en que los materiales adquieren temperatura de forma

heterogénea, por lo que ciertas partes se dilatan o contraen con mayor rapidez que
otras. Esto conlleva a que se produzcan esfuerzos internos de gran magnitud.

En la figura 34 pueden apreciarse los esfuerzos de tracción y compresión generados

en un arranque y una parada correspondientemente, debido a las diferencias de
temperatura en el eje (temperatura superficial y central) de la turbina al calentarse y
enfriarse.
En el mismo gráfico se representan la evolución de la velocidad y la potencia.

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Fig 34. Ciclo de carga producido por los cambios de temperatura en arranque
(columna izquierda) y parada (columna derecha).

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En las siguientes imágenes se pueden observar las distancias milimétricas que

separan las partes fijas de las móviles. En caso de no lograrse un calentamiento
controlado, podría ocurrir el riesgo de contacto entre ellas, así como la fatiga térmica
del material.

Imagen 5. Ruedas móviles y álabes estáticos de etapa de media presión.

Imagen 6. Extracción del rotor de la etapa de baja presión de la imagen 1.

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En la imagen 7 se observa la disposición de un álabe fijo (estacionario) y el rotor de la

turbina de vapor. Observe la disposición de los sellos en la cabeza del álabe y el rotor,
su diseño permite que no se produzcan fugas de vapor por esa superficie.

Rueda de
álabes móviles

Álabe Rotor
fijo

Rueda de
álabes móviles

Imagen 7. Rotor y álabeestacionario. Sellos laberínticos.

Agregar:

Turbinas Parson y laval.

Válvulas de vapor.
Cojinetes.
Materiales.
Sistema de lubric, levante y vacío.

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